DE2214212A1

DE2214212A1 - Verfahren zum Bohren von Uhrensteinen oder anderen Werkstucken mittels Laser strahlen und Anordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2214212A1
Application number: DE19722214212
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipi Phys BeIp Steffen Jurg Dr phil nat Kehrsatz Herziger Gerd Bernd Prof Dr phil nat Gumhgen Kocher, (Schweiz) P
Original assignee: Pierres Holding S A , Blei, Turla bor AG, Zumikon, (Schweiz)
Priority date: 1971-03-29
Filing date: 1972-03-23
Publication date: 1972-10-12
Also published as: DE2214212B2; DE2214212C3; JPS574436B1; CH532993A; CA943192A; FR2131695A5; IT949991B; NL173927C; GB1373181A; CH455071A4; NL7203251A; NL173927B

Description

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Uns. Zeichen! A 80 72 . 23. März 1972

Pierres Holding SA., rue du Rüschli 6, 250D Biel, Schweiz

_und Pirma . .

Turlabor AG. ; Geissacherstrasse 8¹, 8126 Zumikon, Schweiz

Verfahren zum Bohren von Uhrensteinen oder anderen Werkstücken mittels Laserstrahlen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Das Bohren von Werkstücken mittels Laserstrahlen ist bereits seit mehreren Jahren wohl bekannt. Grosse Schwierigkeiten bereitet es aber, Löcher von regelmässiger, insbesondere zylindrischer Form zu erhalten, die genauen Toleranzen entsprechen, wie dies insbesondere beim Bohren von Uhrensteinen erforderlich ist, damit der Aufwand für die Grandissage, bei welcher bekanntlich das Loch noch etwas vergrössert und poliert wird, nicht zu gross wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem Löcher von viel besserer Masshaltigkeit als bisher gebohrt werden können. Dieses Vorfahren fusst auf einem eingehenden 5tudium der Ursachen für die Unregelmässigkeit der bisher erhaltenen Löcher und beruht auf der Erkenntnis, dass in erster Linie die Form der bisher verwendeten Laserstrahlenimpulse dafür verantwortlich'ist. ·

In Fig. 1 ist ein Laserlich timpuls üblicher Ärjt,. dargestellt, wobei die Intensität I des Ausgangsstrahles eines Laserresonators in Funktion der Zeit t aufgetragen ist. Der Impuls setzt sich aus einer Reihe von Spikes 1 zusammen, die in ganz unregelmässiger Weise über die Impulsdauer tp verteilt sind und in ebenfalls unx-egelrnässiger Fieikenfolge bald grössere und bald kleinere Spitzeniritenüitrjten aufweisen. Wenn ein sehr starker Spike auf das Werk-Eitück fällt, yo wird plötzlich sehr viel Material verdampft oder

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verflüssigt, wobei Tropfen oder sogar kleine feste Teilchen aus dem sich bildenden Loch herausgeschleudnrt werden. Als" Folge zu grosser Erhitzung und schlagartiger Rückstossimpulse auf das Werkstück bilden sich kleine Wulste und Risse in der Umgebung des Bohrloches. Reduziert man die mittlere Intensität des Impulse;;',, so kommt man bald zu der Grenze, bei welcher der Bohrvorgang nur mit einer grösseren Anzahl von Impulsen oder praktisch überhaupt nicht mehr durchgeführt werden kann.

Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch auf., dass diese Laserstrahlenimpulse einen ersten Spike aufweisen, dessen Spitzenintensität grosser ist als diejenige aller folgenden Spikes und dass diese folgenden Spikes mit praktisch konstanter Periode? aufeinander folgen und abnehmende oder gleiche Spitzenintensitäten aufweisen. ·

Die Intensität des Laserstrahlenimpulses kann zwischen den Spikes auf Null fallen oder nicht. In letzterem Falle erscheinen die 5pikes als einer Grundintensität überlagerte Schwingungen von abnehmender oder gleicher Amplitude. Aufeinander folgende Impulse solcher Art kann man in äusserst stabil gebauten Laseranordnungen erhalten und den Bohrvorgang erst dann auslösen, wenn man durch Betrachtung der Impulse in einem Oszilloskop feststellt, dass sie die gewünschte Gestalt haben. Vorzugsweise verwendet man jedoch einen Modulator, um die Periode der auf den ersten Spike folgenden Spikes festzulegen.

Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Durchführung dieser bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Diese Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Laserresonator mit einem Modulator versehen ist, welcher durch Modulierung der Laserschwingungen die Periode der Spikes im Laserstrahlenimpuls festlegt.

Der Grund, warum die Spitzenintensität des ersten Spikes grosser, vorzugsweise mindestens 3-mal so gross sein muss wie diejenige dnr folgenden Spikes, liegt darin, dass er bei transparenten Werkstücken, z.B. Rubinen, bewirken muss, dass das Material überhaupt

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beginnt Strahlen zu absorbieren, wie später noch eingehend erläutert werden wird. Bei metallischen Werkstücken wird dagegen durch den ersten Spike der Reflexionskoeffizient der äussersten Schicht stark herabgesetzt j ebenfalls zur Erhöhung der Absorption der folgenden Spikes. ' ·

Die Gleichmässigkeit der folgenden Spikes verhindert das Auftreten der früher erwähnten Wulst- und Rissbildung, wobei es selbstverständlich ist, dass die. Energie, die Dauer der Spikes, das Intervall zwischen den Spikes und die Spikesintensität dem jeweiligen · Werkstoff angepasst sein müssen.

Vorzugsweise wird dafür gesargt,· dass die Energie der auf den ersten Spike folgenden Spikes genügt, um jeweils eine Schicht des Bohrkernmaterials zu verdampfen, und dass das Zeitintervall zwischen diesen Spikes genügt, um ein Entweichen des erzeugten Dampfes aus dem entstehenden Bohrloch vor dem Eintreffen des nächsten Spikes zu gestatten.

Anhand de'r Zeichnung werden nachfolgend- Atfsführungsbeispiele des Verfahrens nach der Erfindung und der Anordnung zu dessen Durchführung erläutert. Es zeigt: -"...-

Fig. 1 einen üblichen Laserstrahlenimpuls,,

Fig. 2 einen beim erfindungsgemässen Verfahren anwendbaren Laserstrahlenimpuls, ■ .'

Fig. 3 einen anderen beim erfindungsgemässen Verfahren anwendbaren Laserstrahlenimpuls, . .

Fig. 4 ein Schema des Bohrvorganges,

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Einwirkung der ersten Spikes auf durchsichtiges Material,- z.B. einen Rubin j

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Fig. 6 einen Laserresonator mit interner Modulation mittels Kerrzelle oder dergleichen, und

Fig. 7 einen Laserresonator mit interner Modulation mittels Piezokristall. , ·

In Fig. 2. ist ein Laserstrahleninipuls dargestellt, der sich zum Bohren von Rubinen eignet, wobei die Darstellung natürlich stark idealisiert ist.

Man sieht, dass der Impuls sich aus zahlreichen Spikes 4 zusammensetzt, deren' Zeitdauer t ^j etwa 0,5 jjs beträgt. Das Zeitintervall* t.~ zwischen zwei aufeinander folgenden Spikes ist etwa gleich 3 jjs.

Die Periode T" der Spikes ist somit t + t. = 3,5 us. Die Dauert

^r Si^ P

des Impulses beträgt z.B. etwa HD μΒ. Hierzu wird bemerkt, dass

sowohl t als t nicht an der Basis, sondern in halber Höhe des s ρ

Spikes bzw. des Impulses gemessen sind. Damit sich der Impuls zum Bohren von aus Rubin bestehenden Uhrensteinen eignet, ist es wich·?

tig, dass die Spikesläncje t relativ kurz ist, z.B. etwa 0,5 bis

2 jjs beträgt; dass die Spikesenergie genügend gross ist, z.B. Im Joule beträgt. Das Spikesintervall t, wird genügend gross gewählt) damit das Material, das beim Auftreffen eines Spikes verdampft wird, aus dem bereits g'ebildeten Teil der Bohrung entweichen kann, bevor der nächste Spike eintrifft. Anderseits soll t nicht so

^r s

gross sein, dass die Wärmeleitung im Rubin eine merkbare Rolle spielen kann. Ferner soll die maximale 5pikeintensität nicht zu

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gross sein, z.B. I -^LlO W/cm , um die Erzeugung von Schockwellen

oder nichtlinearen optischen Prozessen zu vermeiden.

In Fig. 4 ist auf der linken 5eite schematisch ein Bohrloch 2 gezeigt, auf dessen Grund gerade der fünfte Spike eines Laserlichtimpulses eintrifft, wobei die Auftreffpunkte der einzelnen Spikes durch Kreuze markiert sind. Die Dicke der durch jeden 5pike verdampften Materialschicht ist mit s bezeichnet und der Durchmesser des Loches mit d. Rechts in Fig. 4 sind die Auftrettpunkte der Spikes und diese Spikes I₁ - I₁- selbst in Funktion der Zeit dargestellt, entsprechend einer kinematographischen Aufnahme des

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Bohrvorganges in Richtung senkrecht zum Strahl 3 unter gleichzeitiger Aufnahme des Impulses in einem Oszillographen. Die Oberfläche des Rubins ist mit 4 bezeichnet. Die Pfeile 5.deuten das Entweichen des' durch den Spike I₁- verdampften Materials an. Jeder'neu eintreffende Spike trifft im Bohrloch 2 auf keinen Dampf mehr, der zerstreuend.auf das Laserstrahlenbündel wirken würde.

Da der Rubin dux-chsichtig ist, also einen sehr kleinen Lichtabsorptionskoeffizienten hat, ist es nicht ohne weiteres klar, wie es überhaupt möglich ist, dass er mit einem Liehtstraiii yerdamp-ft werden kann. Der Grund hierfür ist darin gefunden worden,- dass der Absorptionskoeffizient μ des Rubins und ähnlicher Edelsteine temperaturabhängig ist, und zwar' gernäss einer Exponentialfunktion

u(T) = k · e ^T

worin T die absolute Temperatur des Materials und k und ^ Materialkonstanten bedeuten. Für die Konstanten k und c<: sind aus experimentellen Daten die Werte

*<■ '-⁵^ 1 · IG³ bis 4 · IQ³
k <=^ 6 · 10³ bis 2 · 10³ ■ - -

festgestellt worden.

In Fig. 5 sind die Intensität I. eines auf den Rubin einfallenden

Spikes und die Intensität I des aus demselben austretenden ^r aus

Spikes d;n Funktion der Zeit t dargestellt und ferner auch der Verlauf des Absorptionskoeffizienten μ und derjenige der Temperatur T des vom Spike getroffenen Materials. Bei der Zimmertemperatur T ist Li nahezu Null (z.B. etw,a 1 % pro crn Prubendicke), so dass I

mit I. praktisch zusammenfällt. Wenn sich das Material aber durch die sehr kleine Absorption doch etwas erwärmt, nimmt u rasch zu, was eine- sich sehr rasch steigende Zunahme der Absorption und damit auch der -Matei-ialtemperatur T zur Folge hat. Bei· der Schmelztemperatur T_c, weist die Kurve T eine kleine Stufe auf, die sehr

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rasch überschritten wird, und bei der Verdampfuhgstemperatur T eine etwas längere Stufe. Der letzte ansteigende Aot der T-Kurvc, der dem Zustand überhitzten Dampfes entspricht, kommt ,praktisch nicht mehr in Betracht, weil der Dampf gemäss den Pfeilen 5 von Fig. 4 a-us dem Bohrloch 2 entweicht. Warum von einem Spike nur ein sehr kleines Volurnenelernent v/erdampft wird, ist im Absorptionsyesetz

I(X) = I. B ~^ΙΛ * ^X

in

begründet, worin χ die. Eindringtiefe eines Lichtstrahls in das Material bedeutet und I(x) die Intensität an der Stelle x.

Berechnet man aus obigem Gesetz und aus den anhand von Fig. 5 erläuterten Beziehungen für μ und T den Tem.püraturverlauf im Material unter der. Auftreffstelle des Strahles, so stellt sich heraus,· dass sich praktisch die ganze Wärmeentwicklung in einer ganz dünnen Schicht von etwa 20 μ. Dicke konzentriert. Die Dicke dieser 5chicht ist im wesentlichen durch das Bohrmaterial gegeben, darum ist es von ausschlaggebender Bedeutung, dass die Laseremission, d.h. die Spikesenergie, Spikesdauer uhd Spikesabstand und Pulsform an die Eigenschaft des Bahrmaterials angepasst wird. Aus obigem erklä-rt sich die bereits anhand von Fig. 4 erläuterte Tatsache, dass jeder Spike 1 nur eine Schicht des Bohrkernmaterials abbaut, deren Dicke s somit etwa 20 μ beträgt. Die Anzahl der Spikes, die zum Bohren eines durchgehenden Loches erforderlich ist, und damit auch die Impulsdauer t hängen somit hauptsächlich von der Länge der gewünschten Bohrung ab.

Zur Einleitung des Bohrprozesses an der relativ rauhen, stark streuenden Oberfläche 4 ist es vorteilhaft, wenn der erste Spike 1 wesentlich grosser ist als die folgenden und z.B. etwa 3 - 5 mal so gross. Eine grosse Energie des ersten Spikes kann dadurch erzielt werden, dass man für den Auskopplungssp:i e-cjel des Laserresonators einen hohen ReflaxionskoBff'izienten vorsieht.

In Fig. 3 ist ein Laserlichtirnpuls gezeigt, der sich ebnnfa.l L;:;

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vorzüglich zum Bohren von masshaltigen Löchern eignet. Es ist er--, sichtlich, dass die Spitzenintensität der auf den ersten sehr grosseq Spike 1 folgenden Spikes I₉, l_q ... rasch abnimmt, und dass- die Intensität der Strahlen zwischen diesen Spikes nicht auf Null fällt, so 'dass sich das Bild einer auf einer Grundint,ensität Ig überlagerten Schwingung von rasch abklingender Amplitude ergibt. Bei Verwendung eines.solchen Impulses wird das Material des Bohrkerns mindestens arn Anfang des Bohrvorganges ebenfcills schichtweise abgetragen. ■

Wahrscheinlich setzt sich die schichtweise Abtragung aber auch während desjenigen Teiles des Impulses fort, der praktisch keine überlagerte Schwingung mehr zeigt und zwar deshalb, weil die Strahlen kurzzeitig von dem aus dem Bohrloch entweichenden Materialdarnpf absorbiert werden und erst nach Entweichung· desselben .auf eine neue Materialschicht fallen und dieselbe verdampfen, worauf sich das Spiel wiederholt.

In Fig. 6 ist eine Anordnung gezeigt, mit der Impulse nach Fig. oder 3 erzielt werden können. Ein Laserresonator 6 weist einen Laserstab 7 auf, der in üblicher Weise zwischen zwei Spiegeln 8 und 9 angeordnet ist. Zwischen dem Stab 7 und dem Spiegel 9 sind noch eine Kerrzelle 10 und ein Polarisationsfilter 11 angeordnet. Der Nutzstrahl 12, der zum Bohren benützt wird, tritt zum Spiegel 8 aus, der einen recht hohen Reflexionskoeffizienten von z.B. etwa 80 - 90 % hat, um einen starken ersten Spike zu erzielen. Die Pumpniittel, z.B. eine Blitzlichtlampe, mit welcher der Stab

Λ - - L-

7 bestrahlt wird, sind nicht dargestellt. Die Kerrzelle 10, ist an eine Wechselstromquelle 13 von einstellbarer Frequenz angeschlossen, deren Frequenz f der. gewünschten Wiederholungsperiode y der Spikes I₀, l-_ ... entsprechend, d.h. f = ....l·,,-. gewählt wird. Durch die Kerrzelle 10.. wird die Polarisation des durch sie hindurch gehenden Strahles geändert,, so dass die Intensität der vom Polarisationsfilter 11 durchgelassenen, zwischen den Spiegeln hin und her reflektierten Strahlen und somit auch die Intensität des Nutzstrahles 12 mit der Frequenz f moduliert wird, was die periodische Bildung der Spikes I₂, I₃ ... mit der Periode T zur Folge

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hat. Bei grosser Modul ntions bei fe ergeben sich Impulse der in

Fig. 2 ge ζ ein {α η Art und bei geringerer Tiefe ein Einschwingvor-

gnng der-in Fig. 3 gezeigten Art. Anstelle einer Kerrzelle kann

aurii eine Pucl-.e.lszelle ader ein sätiigbürer Absorber benutzt werden.- ■

Die Anurdnung nach Fig. 7 unterscheidet, sich von derjenigen nach Fig. 6 lediglich dadurch, dass als Modulator ein Piezokristall 1D„ vorgesehen ist, auf dem der Spiegel 9 montiert ist. Der Spiegel 9 wird daher im Rhythmus der Mudulationsfrequenz hin und her bewegt, so dass sich der Abstand zwischen den Spiegeln 8 und 9 ändert. Im Verlaufe einer Spiegelschwingung treten nacheinander verschiedene Eigenschwingungen des Resonators auf, so dass, obwohl obige Bezeichnung f = _i- nicht mehr gilt, es trotzdem durch passende Wohl von frn möglich ist, eine gewünschte Spikesperiode J zu erzwingen.

Als Modulator 10 kann man auch einen akustisch-optischen Modulator benützen, d.h. einen Modulator mit einem optischen Medium, durch das die Laserstrahlen hindurchgehen und in welchem stehende Schallwellen erzeugt,werden, deren Frequenz moduliert wird, so dass die Strahlen im Rhythmus dieser Frequenz abgelenkt werden, was zu einer Amplitudenmodulation des Nutzstrahles führt.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das Buhren von Uhrensteinen beschränkt. Nach demselben Verfahren können auch andere, insbesondere auch metallische Werkstücke gebohrt werden. Die jeweils erforderliche Grosse und zeitliche Reihenfolge der Spikes» bzw. der aus ihnen zusammengesetzten Impulse kann aufgrund der anhand von Fig. 5 erläuterten Zusammenhänge berechnet bzw. abgeschätzt oder experimentell ermittelt werden. Beim Bohren von gewissen metallischen Werkstücken, z.B. Spinndüsen, kann es eventuell erwünscht sein, besondere Lochformen zu erzielen. Während im allgemeinen die Verwendung von nur im transversalen Grundmade schwingenden Laserstrahlen erwünscht ist, kann in diesem Falle die Verwendung ,eines in einem höheren transversalen Mudυ schwingenden Läse rs t ra 111es ζ w e ck m η :> s i g s e in.

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zum Bohr.en von Uhrensleinen oder anderen-Werkstücken, mittels Laserstrahlen, bei welchem dem Werkstück ein, oder mehrere Spikes aufweisende Laserstrahlenimpulse zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass diese Laserstrahlenimpulse einen ersten Spike (I₁) aufweisen, dessen Spitzenintensität grosserist als diejenige aller folgenden Spikes (l-p, !„...), und dass diese folgenden Spikes mit praktisch konstanter Periode {')') aufeinander folgen und abnehmende oder gleiche Spitzenintensitäten aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Modulator (10,, 1CL·) benützt, um. die Periode-. Cl/ ) der auf den ersten Spike (1) folgenden Spikes (I_n, 1-,...) festzulegen.! .

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der auf den ersten Spike folgenden Spikes genügt, um jeweils eine Schicht des Bohrkernrnaterials zu verdampfen, und dass das Zeitintervall zwischen diesen Spikes genügt, um ein Entweichen des erzeugten Dampfes aus dem entstehenden Bohrloch vor dem Eintreffen des nächsten Spikes zu gestatten.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der auf den ersten Spike (1,) folgenden· Spikes (1,, 1.-,...) etwa G, 1 m Joule beträgt, ihre Dauer etwa 0,5 μ sec, das Spikeintervall etwa 3 u see und ihre Spitz.enin Lensität

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kleiner als lü W/crn ist.

b. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des ersten Spikes (■_!£') mindestens 3-mal so gross ist wie diejenige der folgenden Spikes.

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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dnc?; man dia er ζ ε U γι tem Impulse mi ft els eines Doz.il los kops betrachtet und den Dohrvorgan-g erst auslöst, wenn die aufeinander folgenden Impulβe die gewünschte Gestalt haben und einander

g J. e i c It s i η d .

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ' gekennzeichnet, dass der Laserresonator (6) mit einem Modulator (IfL, 10„) versehen ist, welcher durch
Modulierung der Laserschwingungen die Periode (^fj~) der Spikes im Laserstrahlenimpulr-; festlegt.

Q." Anordnung nach Anspruch [, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (10, )· aus einer- Kerrzelle oder Pockelszelle beste der ein Polarisationsfilter (11) zugeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Modulator (10,) ein sättigbarer Absorber vorgesehen ist.

10. Anordnung nach- Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein akustisch-optischer Modulator (10.) vorgesehen ist.

11. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Modulator (10.-,) ein Piezokristall vorgesehen ist, an welchem einer der Resonatorspiegel (8) befestigt ist.

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